江苏北部不同等级雾的微物理结构及个例分析

利用2015—2017年秋冬季在江苏北部观测到12次雾过程的雾滴谱数据及常规气象观测资料,统计分析了轻雾、大雾、浓雾、强浓雾和特强浓雾等级下的微物理特征量及雾滴谱分布,并通过一次雾过程的分析,探讨了不同雾等级下的主要微物理过程。结果表明:随着雾等级的提升,雾滴数浓度、含水量增长明显,而轻雾、大雾和浓雾的雾滴平均直径和最大直径差异不大,但当能见度小于200 m时,平均直径和最大直径显著增大;能见度下降时,平均数浓度谱和含水量谱的谱线上抬,从浓雾到强浓雾,粒径大于10 μm的大雾滴增长明显;雾滴数浓度主要由小雾滴控制,雾滴含水量受大雾滴影响;东海县郊平均的雾滴含水量与南京观测结果相差不大,但雾滴数浓度仅为南京的一半左右,平均直径大约是南京的2.3倍;个例分析中,能见度从1000 m下降到50 m,凝结核活化并凝结增长是主要微物理过程,但可凝结水汽是影响该过程效果的一个重要因子,可使雾滴数浓度和平均直径呈现不同的相关关系;能见度降到50 m以下时,碰并过程效果显著;日出后雾滴蒸发作用显现并逐步增强。      

厦门春季海雾天气分类及典型个例宏微观结构分析

利用2013年3月23日—4月22日外场观测得到8次海雾过程的能见度、雾滴谱、自动气象站资料及常规气象资料和NCEP全球分析资料,对厦门春季海雾宏微观过程进行了分析。结果表明,形成厦门海雾的天气形势主要为3类:冷锋型、低压倒槽型、高压入海型。厦门海雾对应区域存在0~1℃气海温差,这对海雾预报具有重要意义。对2013年4月17—18日典型海雾个例研究表明,西南气流强烈的增湿作用触发了海雾生成,为本次海雾发展提供了充沛的水汽条件。本次海雾平均雾滴谱拟合符合Junge分布;对其微物理量(数浓度、液态水含量、平均半径)演变特征分析表明,主导的微物理过程为核化凝结增长和可逆的蒸发过程。     

海峡西岸一次雾过程微结构及其起伏特征研究

2013年春季在福建省厦门市开展了海雾综合观测,选取了4月17日一次海雾期间的能见度、常规气象要素和雾滴谱资料,分析了沿岸海雾发生时的天气系统和微结构特征,并讨论了气象要素的起伏对雾发展、持续、消散及其微结构起伏的影响。海雾间歇阶段和消散阶段均有风速风向的突变;含水量、数浓度、平均直径和最大直径在不同阶段均有明显的差异,即使在同一阶段也不断波动;海雾爆发性增强过程中雾滴谱出现爆发性拓宽,平均直径、数密度和含水量骤然增大,宏观的气象条件也发生了明显变化;海雾不同阶段由于湍流、辐射以及气象条件的差异,雾滴空间分布的不连续,雾滴核化、凝结、碰并和蒸发作用,微结构的起伏较大。      

一次高压型海雾中的液态含水量演变特征

2008年3月16—17日在粤西电白出现了一次在高压天气系统控制下的海雾过程。利用这次海雾的综合观测数据,分析了这一高压型海雾的液态含水量演变特征,讨论了液态含水量与雾滴平均直径和数密度以及气温、风速、湍流交换等的关系。结果显示:(1)海雾有发展-消散-再发展的准周期性变化特征;(2)海雾过程中的雾滴数有显著的变化,而雾滴平均直径的变化较小;雾滴数变化对海雾的发展、消散起主要作用;(3)在海雾生成和发展阶段,空气的冷却机制起主要作用;而在海雾的维持阶段冷却机制的作用并不明显;(4)在雾的生成阶段,弱湍流交换有利于雾的生成;而在雾的发展和维持阶段,湍流交换减弱,液态水增长,反之液态水减少。湍流交换的强、弱与海雾发展-消散-再发展的周期性变化有密切关系。     

湛江地区一次冷锋型海雾微物理特征

利用2010年3月31日—4月2日冷锋天气系统影响下湛江海雾综合观测资料,分析了海雾的微物理特征及海雾过程中气溶胶粒子谱的演变特征。结果表明,海雾的生消与风场密切相关,海雾生成和发展与较强的ESE气流相联系,而弱的NE气流则会促使海雾减弱或消散。湛江海雾的雾滴数浓度为100~102cm-3,液态含水量为0.001~0.232 g·m-3,雾滴平均半径小于10μm,雾滴峰值半径多位于1.4μm。海雾雾滴谱分布以单调递减谱为主,谱宽超过20μm,且雾发展过程中雾滴谱谱宽存在突然增宽和迅速减小的现象。海雾过程中雾滴数浓度的变化主要是由半径小于5μm的雾滴数密度变化引起的。海雾过程对气溶胶粒子的湿清除效果并不显著,雾过程中粒径小于0.1μm和大于4μm的气溶胶粒子数密度显著减少,但在雾消散后又迅速恢复到雾发生前的水平。     

湛江东海岛一次春季海雾的宏微观结构及边界层演变特征

2011年2—3月利用雾滴谱仪、能见度仪、风廓线雷达及100 m边界层气象要素梯度观测塔在湛江东海岛开展海雾综合观测试验。选取2011年2月23—24日一次约15 h的浓雾过程,从宏微观角度着重分析了其间近地层风、温、湿结构和热、动力演变,微物理过程和爆发性增长特征,及湍流通量输送。结果表明：来自南海暖海面的偏东南暖湿气流平流至广东省沿岸冷海面,发生冷却并达到饱和形成海雾。偏东南暖湿气流为浓雾的酝酿、生成及成熟提供了充沛水汽和稳定的逆温层结条件,逆温强度与暖湿气流强度关系密切。海雾多发生在270 m以下,当630—870 m 高度层存在明显的下沉运动时,150—390 m高度层则可保持近似等温和弱逆温层,阻止了下层（270 m以下）水汽与其上层（390 m以上）干冷空气交换,导致下层大气持续高湿稳定状态。整个过程中,雾滴数浓度（N）、含水量（W）、平均直径（D_ave）、谱宽（D_max）和有效半径（R_eff）的平均值分别为248 cm^-3、0.102 g/cm³、5.2 μm、36.0 μm和7.0 μm。雾滴数浓度（N）与平均直径（D_ave）在雾发展初期（生成、发展）和末期（消散）多成正相关趋势,而在成熟阶段两者多成反相关趋势。雾前4小时稳定层结及偏东南暖湿气流持续增湿可认为是雾层爆发性增长的酝酿阶段,雾滴谱拓宽是经过活跃—稳定—爆发的3阶段完成,湍流混合对其影响不大;浓雾快速消散是雾滴蒸发、重力碰并沉降、湍流碰并沉降等共同作用造成的,其中直径大于21 μm液滴的大量耗散是消散的重要阶段。雾前,湍流由强转弱。雾发生后,湍流持续较弱。由于东南急流引发的风切变导致湍流增强,感热通量出现向上强输送,这与冷海雾维持阶段高层热量交换过程类似。雾消散时,湍流逐渐转强。平均动能在雾前和雾中的两次跃增与偏东南暖湿气流显著增强有关,而雾成熟期湍流动能大幅跃增主要是由雾顶辐射冷却产生的热力湍流和风切变引发的机械湍流增强所致。     

湛江地区近海岸雾产生的天气条件及宏微观特征分析

利用2011年2～3月广东省湛江市东海岛雷达站观测得到的12次雾过程中雾滴谱、能见度、边界层风温场资料以及常规气象资料,对沿岸海雾发生时的天气系统进行分类,分析了雾发生时的气象条件、边界层特点、微物理特征等,并对典型个例进行讨论。总结发现:海雾易出现在低压前部、高压后部和冷锋前部等天气形势下;雾过程中,地面以偏东风为主,高空以偏东、偏南风为主;雾滴数浓度(N)的平均值变化范围为170～372 cm-3,液态水含量(LWC)为0.018～0.170 g m-3,平均半径为1.71～3.28 μm。选取了一个典型个例来研究典型天气形势下海雾宏微观特征,该过程发展初期以核化凝结为主,在水汽不充足时,大量的雾滴凝结核争食水汽,使得N增加而平均半径几乎不变。根据自动转化阈值T可以看出,成熟时期碰并效率增加,大滴端数密度增加,滴谱拓宽。结合边界层气象要素演变分析发现,在夜间急流显著时,不利于雾滴生长,LWC较低;而高空风速较小,逆虚温较强可能是消散阶段平均半径出现跃增的原因。雾滴谱呈双峰分布,且瞬时谱符合Gamma分布;液态水含量与消光系数、有效半径呈正相关关系,相关系数分别为0.95和0.97。     

南海西北部一次海上海雾的微物理及化学特性分析

利用2017年3月MICAPS资料、欧洲气象中心再分析ERA-Interim数据及在南海西北部海上的海雾观测数据,分析了南海西北部一次海上海雾的微物理特征和雾水化学特性,并将海上海雾与南海岸边海雾进行对比分析。结果表明:此次海雾为南海偏南暖气流移至冷海面发生冷却并达到饱和而形成。海雾过程中气压与气温变化趋势相反,相对湿度不断增加,雾滴数浓度、液态含水量和平均直径的平均值分别为198 cm-3、0.116 g/cm3和5.6 μm。相比广东湛江东海岛和广东茂名博贺地区岸边海雾个例,本次海上海雾水汽充足,雾滴偏大。本次海雾属于酸性海雾,pH值变化范围为2.51~3.50,海雾后的雨水样本pH值则为4.05。海雾发生初期电导率比其它阶段高很多,说明海雾发生的初始阶段雾水溶解了大量的气溶胶。海上雾水中Na+和Cl-浓度最高,浓度分别为32 535 μmol/L和53 466 μmol/L,K+浓度远高于Mg2+和Ca2+,而东海岛岸边海雾相反。      

济南爆发性增强冬季雾的物理特征分析

利用宏、微观观测资料,分析了济南4次出现爆发性增强冬季雾过程的类型以及形成、发展、减弱和消散的主要机制,研究了形成、发展、成熟和减弱阶段,以及爆发性增强期间的微物理演变特征,探讨了爆发性增强的触发机制。结果表明：1）夜间地面长波辐射及弱冷空气入侵造成的气温下降是济南冬季雾形成和发展的主要因素,干冷空气入侵或日出后太阳辐射加热升温,近地层相对湿度下降是雾消散或减弱的主要机制。2）形成阶段,核化和凝结增长过程启动但并不活跃,碰并强度很弱,以未碰并和偶发碰并为主;发展阶段,核化和凝结增长等微物理过程开始活跃,碰并过程启动,大滴开始增多;成熟阶段,核化、凝结和碰并增长非常活跃,各微物理量均达到最大值,谱最宽;减弱阶段,核化、凝结过程减弱,碰并过程减弱并消失,雾滴蒸发,能见度增大。3）爆发性增强的宏观物理特征主要表现为极大风速增大、气温下降、相对湿度增大、水汽压下降;微观物理特征主要表现为数浓度、液态含水量等微物理量出现跃增,以及谱型由“单峰”结构突变为“多峰”结构。4）相对湿度增大主要与气温下降有关,水汽压下降则与异常活跃的凝结增长有关;气温下降是济南冬季雾爆发性增强的直接原因,弱水汽输送产生的增湿作用对爆发性增强具有一定的促进意义。     

近地层辐射过程与雾微结构的相互作用特征

利用2006-2009年南京郊区（32°12’N,118°42’E,25ma．s．1）冬季雾综合观测资料,分析了近地层辐射特征与雾微物理结构的相互作用。结果表明,净辐射通量密度介于-50～＋25W·m12时,雾层中雾滴数浓度逐渐增加,且雾滴半径越小,雾滴数密度增大越显著。近地层辐射冷却或弱增温,有利于雾滴活化和凝结增长。地面辐射增温较强时,雾滴数浓度和不同尺度雾滴数密度均减少,且雾滴半径越小,雾滴数密度减小得越快。太阳短波反射率的变化主要受雾滴数浓度、平均半径和液态含水量的影响。雾过程中,雾滴数浓度和液态含水量每增大100cm-3和0．001g·m-1。引起的太阳短波反照率的增量分别为5．29×10-3和1．18×10-4。     

Microphysical characteristics of sea fog over the east coast of Leizhou Peninsula, China

Microphysical properties of sea fog and correlations of these properties were analyzed based on the measurements from a comprehensive field campaign carried out from 15 March to 18 April 2010 on Donghai Island (21°35’’N, 110°32’5’’E) in Zhanjiang, Guangdong Province, China. There were four types of circula- tion pattern in favor of sea fog events in this area identified, and the synoptic weather pattern was found to influence the microphysical properties of the sea fogs. Those influenced by a warm sector in front of a cold front or the anterior part of low pressure were found to usually have a much longer duration, lower visibility, greater liquid water content, and bigger fog droplet sizes. A fog droplet number concentration of N≥1 cm-3 and liquid water content of L≥0.001 g m-3 can be used to define sea fogs in this area. The type of fog droplet size distribution of the sea fog events was mostly monotonically-decreasing, with the spectrum width always being >20 μm. The significant temporal variation of N was due in large part to the number concentration variation of fog droplets with radius <3 μm. A strong collection process appeared when droplet spectrum width was >10 μm, which subsequently led to the sudden increase of droplet spectrum width. The dominant physical process during the sea fog events was activation with subsequent condensational growth or reversible evaporation processes, but turbulent mixing also played an important role. The collection process occurred, but was not vital.     

MICROSTRUCTURES AND TEMPORAL VARIATION CHARACTERISTICS DURING A SEA FOG EVENT ALONG THE WEST COAST OF THE TAIWAN STRAIT

Synoptic systems and microphysical properties associated with a sea fog event are analyzed based on the measurements of visibility, meteorological elements and fog droplet spectrum from a comprehensive field campaign in Xiamen, Fujian province during spring 2013. The influences of meteorological elements on the microstructures of the sea fog are also discussed. The results showed that the wind speed and direction changed suddenly during the intermittent and disperse phases of the sea fog. Liquid water content, number concentration and average diameter varied obviously in the development, mature and disperse phases of the sea fog. The burst re-enforcement of sea fog was accompanied by explosive broadening of fog droplet spectrum; average diameter, number concentration and liquid water content increased sharply; and background meteorological conditions also changed significantly. The microstructures fluctuated intensely due to changes in turbulence, radiation and meteorological conditions at different stages, including nucleation, condensation, coagulation, and evaporation, as well as the discontinuity of spatial distribution of droplets.     

闽南沿海一次春季海雾过程微物理特征分析

利用地面自动站观测、风廓线雷达、ERA5再分析资料、葵花8号高分辨率卫星资料以及FM-120型雾滴谱资料,分析了2019年4月7日闽南沿海一次强浓雾过程的环流形势以及微物理特征。环流形势分析表明,此次海雾过程500 hPa为槽底偏西西北气流,700 hPa至地面为一致的偏南气流,探空形势稳定。海雾发生前,整层风速明显减小,弱风速层厚度迅速增大,为海雾的形成提供了稳定的环流背景。卫星监测分析表明,海雾首先快速形成于台湾海峡上,在偏南气流作用下,平流至沿海地区。水文条件分析表明,福建近海存在一条冷水带,从海峡中部至沿海海温梯度大,海温在18~24℃,近海气海温差介于0~2℃,有利于海峡内平流冷却雾的形成。雾滴谱分析表明,翔安站能见度显著下降伴随着粒子数浓度、液态水含量显著增加,雾滴谱爆发性拓宽。海雾过程中,5 min平均粒子数浓度最大超过200个·cm^-3,瞬时数浓度最大达到468个·cm^-3,雾过程平均数浓度为100个·cm^-3。5 min平均液态水含量最高达到0.41 g·m^-3,瞬时液态水含量最大达到1.35 g·m^-3,雾过程平均液态水含量为0.17 g·m^-3。粒子浓度呈现双峰结构特征,峰值分别位于4~6和22~26μm,表明小粒子和大粒子对海雾的形成均有明显的贡献。     

济南冬季雾的微物理结构及其对能见度的影响

2016年12月19日至2017年1月9日,受静稳天气影响,济南接连出现了10次大雾等级以上天气过程,期间最低能见度不足50 m,持续的大雾天气严重影响了工农业生产和人民生活。本文利用10次冬季雾期间雾滴谱仪、自动站等观测资料,分析了济南不同强度冬季雾的微物理结构特征,分析了其中的微物理过程及强度,探讨了微物理结构、微物理过程对能见度（ V ）的影响。结果表明:（1）济南冬季雾强度不同,其谱分布具有明显的差异,在雾变浓的过程中,谱型由“单峰”结构逐渐向“多峰”结构发展。（2）数浓度对能见度具有较好的指示意义,液态含水量、离散度等对能见度指示意义不稳定。（3）环境温度与核化、凝结和碰并增长（或蒸发）等微物理过程密切相关;核化、凝结增长是济南冬季雾发展过程中最主要的微物理过程,在整个雾过程中起主导作用。（4）碰并过程主要发生在发展和成熟阶段,在生成和减弱阶段很弱,以未碰并或偶发碰并为主。（5）自转化率计算结果表明,在V≥200 m的雾中,碰并过程很少发生;在100 m≤V<200 m的强浓雾中,以未碰并或间断碰并为主;碰并过程主要出现在V<100 m等级的强浓雾和特强浓雾中;与V<50 m的特强浓雾相比,50 m≤V<100 m的强浓雾中碰并过程发生的概率更大、强度更强。（6）在济南冬季特强浓雾中含有大量的小雾滴,但各微物理量的最大值、最大的起伏变化并未出现在特强浓雾中,而是出现在50 m≤V<100 m强浓雾中,这可能与强浓雾中较强的碰并过程有关,碰撞过程中产生的并合和破碎可能是微物理量起伏变化最大的主要原因。（7）利用雾滴谱资料计算的能见度与实测值在变化趋势上具有较好的一致性,但比实测值大1～2个数量级,这可能主要与雾中大量的气溶胶粒子有关,对于污染大气,基于雾滴谱仪观测资料来估算雾中的大气能见度是不够的,必须同时考虑气溶胶粒子对能见度的影响。     

Examination of Microphysical Relationships and Corresponding Microphysical Processes in Warm Fogs

In this paper, the microphysical relationships of 8 dense fog events collected from a comprehensive fog observation campaign carried out at Pancheng（32.2 N, 118.7 E） in the Nanjing area, China in the winter of 2007 are investigated. Positive correlations are found among key microphysical properties（cloud droplet number concentration, droplet size, spectral standard deviation, and liquid water content） in each case, suggesting that the dominant processes in these fog events are likely droplet nucleation with subsequent condensational growth and/or droplet deactivation via complete evaporation of some droplets. The abrupt broadening of the fog droplet spectra indicates the occurrence of the collision-coalescence processes as well, although not dominating. The combined efects of the dominant processes and collision-coalescence on microphysical relationships are further analyzed by dividing the dataset according to visibility or autoconversion threshold in each case. The result shows that the specific relationships of number concentration to volume-mean radius and spectral standard deviation depend on the competition between the compensation of small droplets due to nucleation-condensation and the loss of small droplets due to collision-coalescence. Generally, positive correlations are found for diferent visibility or autoconversion threshold ranges in most cases, although negative correlations sometimes appear with lower visibility or larger autoconversion threshold. Therefore, the compensation of small droplets is generally stronger than the loss, which is likely related to the sufcient fog condensation nuclei in this polluted area.     

A Lagrangian Cloud Model for the Study of Marine Fog

A large-eddy simulation model is coupled with a Lagrangian cloud model to study marine fog. In this model, aerosols and droplets are treated from a Lagrangian frame of reference, in contrast to the traditional bulk and bin microphysical models. Droplet growth via condensation is governed by Köhler theory and environmental conditions local to the droplet. Coupling to the vapour and temperature fields of the flow ensures mass, momentum, and energy conservation between the air and droplet phases. Based on the recent C-FOG field campaign, a simulation is performed which highlights the benefits and potential of this type of model. By initializing the simulation with the measured aerosol size distribution and making assumptions about the chemical composition of the multiple peaks, the simulations provide a clear explanation for the observed bimodal droplet distribution during C-FOG: high supersaturation levels cause condensational growth of nearly all coarse-mode aerosols (presumed to be composed of marine salt), as well as a large number of accumulation model aerosols (presumed to be of continental origin with a lower hygroscopicity). The largest peak in the resulting droplet distribution is created from coarse-mode aerosols with high hygroscopicity, while the secondary peak is only possible due to the limited impact of the largest peak on saturation levels inside the fog. Thus, for the simulated levels of supersaturation, it is the limited number of coarse-mode aerosols which is responsible for the emergence of a larger second peak.

     

南京冬季浓雾的演变特征及爆发性增强研究

2007年12月18—19日,南京地区出现了一次持续20h的浓雾过程,其中能见度低于50m的强浓雾几乎占到整个雾过程的1／3。利用同期在南京市北郊的外场观测数据,结合NCEP再分析资料,分析了该次雾的演变过程、微物理结构及边界层特征,探讨了地面雾爆发性增强的成因。结果表明：本次雾在西南平流的增湿作用下触发生成;日出后,平流输送和地表蒸发提供了充足水汽来源,贴地层逆温因高空下沉增温而向上抬升且稳定存在,因此大雾得以维持;整个雾过程中雾滴数浓度、平均直径、含水量随时间的变化趋势基本一致,平均谱曲线均呈指数下降分布,雾滴集中在小滴端;两次地面雾爆发性增强均发生在夜间,其特征为各微物理参量明显增大,滴谱上抬拓宽;爆发性增强的原因是地表气温陡降、贴地层逆温增强及可充当雾滴凝结核的气溶胶大粒子数增多。     

一次长白山夏季雾的宏微观特征

2021年夏季首次利用激光雾滴谱仪开展长白山主峰雾的观测研究。结合地面自动气象站、探空、葵花8号高分辨率卫星资料和ERA5再分析资料, 对2021年7月31日—8月1日长白山主峰出现的持续时间达19 h、最低能见度小于100 m的雾过程的宏微观特征分析表明:此次雾过程具有持续时间长、环境风速大、能见度低、有短暂消散, 且数浓度低、有效直径和液态水含量小等特征。雾滴有效直径平均值为5.7 μm, 数浓度平均值为246.4 cm-3, 液态水含量平均值为0.05 g·cm-3, 其微物理特征与海雾特征接近。雾过程开始为爬坡雾, 这是长白山主峰夏季典型的地形云雾, 随后由高空云层平流至长白山主峰而接地产生。在强浓雾的形成、发展和减弱阶段, 雾滴数浓度、液态水含量和有效直径的变化具有较好对应关系;在成熟阶段, 雾滴数浓度、液态水含量和有效直径变化的对应关系不明显。